專門水文地質(zhì)學(xué) 06 水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算

水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算概述給水度滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)（自學(xué)）水動(dòng)力彌散系數(shù)概述1、水文地質(zhì)參數(shù)表征含水介質(zhì)水文地質(zhì)性能的數(shù)量指標(biāo)，是地下水資源評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)資料，主要包括含水層的滲透系數(shù)K和導(dǎo)水系數(shù)T、承壓含水層的儲(chǔ)水系數(shù)S（也叫彈性給水度μe）、潛水含水層的給水度μ（重力給水度μd

）、弱透水層的越流系數(shù)σ及含水介質(zhì)的水動(dòng)力彌散系數(shù)D等。2、水文參數(shù)表征與巖土性質(zhì)、水文氣象等因素的數(shù)量指標(biāo)，主要包括降水入滲系數(shù)α、潛水蒸發(fā)強(qiáng)度ε、灌溉水回滲補(bǔ)給系數(shù)m等。水文地質(zhì)參數(shù)和水文參數(shù)統(tǒng)稱為水文地質(zhì)參數(shù)。概述3、參數(shù)確定的主要方法一類是用水文地質(zhì)試驗(yàn)法如野外現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)及室內(nèi)滲壓試驗(yàn)、達(dá)西試驗(yàn)、彌散試驗(yàn)等，這種方法可以在較短的時(shí)間內(nèi)求出含水層參數(shù)而得到廣泛應(yīng)用；二類是地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)利用地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料來(lái)確定，是一種比較經(jīng)濟(jì)的水文地質(zhì)參數(shù)測(cè)定方法，并且測(cè)定參數(shù)的范圍比前者更為廣泛，可以求出一些用抽水試驗(yàn)不能求得的一些參數(shù)。水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算概述給水度滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)（自學(xué)）水動(dòng)力彌散系數(shù)1、概念

給水度（μ）是表征潛水含水層給水能力的一個(gè)重要指標(biāo)，在數(shù)值上等于單位面積的巖層柱體，當(dāng)潛水位下降一個(gè)單位時(shí)，在重力作用下自由排出的體積含水量（貝爾）。2、影響因素飽水帶的巖性、排水時(shí)間、潛水埋深、水位變化幅度等。給水度的確定方法思考：比較粘土、砂土的孔隙度、飽和含水量、給水度和持水度！3、確定給水度的常用方法有：（1）室內(nèi)參數(shù)測(cè)定法裝樣：最好原狀試樣；擾動(dòng)試樣要分層裝，每裝3—5cm厚時(shí)，均用搗棒輕擊數(shù)次，并測(cè)定試樣的容重使其結(jié)果盡量符合實(shí)地的狀態(tài)。重復(fù)上述過(guò)程直至試樣與土柱儀筒口一樣高為止。飽水：打開(kāi)供水夾，向土柱中充水。待試樣表面出觀水膜時(shí)立即停止供水；量測(cè)并記錄飽和干燥試樣所用的水體積Vn。釋水：充分飽水后，打開(kāi)排水夾開(kāi)始釋水，排盡土柱儀中自由重力水，采用量杯量測(cè)并記錄所排出的水體積Vw。給水度的確定方法給水度的確定方法筒測(cè)法裝置示意圖1—試驗(yàn)測(cè)筒；2—濾料池；3—排水閥；4—供水閥；5—供水水箱；6—測(cè)壓管；7—排水口；8—法蘭盤思考：與室內(nèi)測(cè)定法相比，筒測(cè)法的優(yōu)勢(shì)在哪里？（2）根據(jù)抽水前后包氣帶上層天然濕度的變化來(lái)確定μ值據(jù)包氣帶中非飽和水流的運(yùn)移和分帶規(guī)律知，抽水前包氣帶內(nèi)土層的天然濕度分布應(yīng)如圖中的oacd線所示。抽水后，潛水面由A下降到B（下降水頭高度為己Δh），故毛細(xì)水帶將下移，由aa’段下移至bb’段，此時(shí)的土層天然濕度分布線則變?yōu)閳D中的oabd。對(duì)比抽水前后的兩條濕度分布線可知，由于抽水水位下降，水位變動(dòng)帶將會(huì)給出一定量的水。給水度的確定方法θszw按水均衡原理，抽水前后包氣帶內(nèi)濕度（含水量）之差（陰影面積），應(yīng)等于潛水位下降Δh時(shí)包氣帶（主要是水位下降帶）所給出之水量（μΔh），即：故給水度：式中：ΔZi––––包氣帶濕度測(cè)定分段長(zhǎng)度(空間步長(zhǎng))；Δh––––抽水產(chǎn)生的潛水面下移深度（水位降深）；W1i，W2i––––抽水前后ΔZi段內(nèi)的土層天然濕度（含水量）；n––––取樣數(shù)。土層的天然濕度，可采取原狀土樣在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，或利用中子水分計(jì)（中子儀）在鉆孔中直接測(cè)定土層的含水量。給水度的確定方法

（3）根據(jù)潛水水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料用有限差分法確定μ值如果潛水為單向流動(dòng)（一維流），隔水層水平，含水層均質(zhì)，可沿流向布置3個(gè)地下水水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)孔，然后根據(jù)水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，按下式計(jì)算μ值：給水度的確定方法式中：h1,t，h2,t，h3,t––––1，2，3號(hào)觀測(cè)孔t時(shí)刻水位;Δh2––––Δt時(shí)段內(nèi)2號(hào)孔水位變幅；ω––––垂向流入和流出量之和；K––––滲透系數(shù)；Δx––––觀測(cè)孔間距（空間步長(zhǎng)）；Δt––––時(shí)間步長(zhǎng)。水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算概述給水度滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)（自學(xué)）水動(dòng)力彌散系數(shù)1、滲透系數(shù)

又稱水力傳導(dǎo)系數(shù)，是描述介質(zhì)滲透能力的重要水文地質(zhì)參數(shù)。滲透系數(shù)代表當(dāng)水力坡度為1時(shí)，水在介質(zhì)中的滲流速度，單位是m/d或cm/s。滲透系數(shù)大小與介質(zhì)的結(jié)構(gòu)（顆粒大小、排列、空隙充填等）和水的物理性質(zhì)（液體的粘滯性、容重等）有關(guān)。

2、導(dǎo)水系數(shù)

即含水層的滲透系數(shù)與其厚度的乘積。其理論意義為水力梯度為1時(shí)，通過(guò)含水層的單寬流量，常用單位是m2/d。滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)的概念室內(nèi)試驗(yàn)法滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)的確定方法3、參數(shù)確定的主要方法

利用達(dá)西定律計(jì)算巖層的滲透系數(shù)。

利用抽水試驗(yàn)資料求取含水層的滲透系數(shù)及導(dǎo)水系數(shù)方法視具體的抽水試驗(yàn)情況而定，下面就各種情況下的計(jì)算公式加以簡(jiǎn)述，其原理及具體計(jì)算步驟可參考地下水動(dòng)力學(xué)相關(guān)教材。

1、單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，由抽水孔水位下降資料求滲透系數(shù)（1）當(dāng)Q～s關(guān)系曲線呈直線

1）承壓水完整孔：

滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)的確定方法計(jì)算法2）承壓水非完整孔：當(dāng)M﹥150r，l/M﹥0.1時(shí)，當(dāng)過(guò)濾器位于含水層的頂部或底部時(shí)

滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)的確定方法3）潛水完整孔：4）潛水非完整孔：當(dāng)﹥150r，l/﹥0.1時(shí)，

當(dāng)過(guò)濾器位于含水層的頂部或底部時(shí)，滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)的確定方法（2）當(dāng)Q～s關(guān)系曲線呈曲線

采用插值法得出Q～s代數(shù)多項(xiàng)式，即：

式中a1、a2……an—待定系數(shù)。a1宜按均差表求得，

可相應(yīng)地將前述公式中的Q/s和公式中的以1/a1代換，分別進(jìn)行計(jì)算。（3）當(dāng)～Q關(guān)系曲線呈直線可采用作圖截距法求出a1后，按上述方法計(jì)算。滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)的確定方法2、多孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，由觀測(cè)孔水位下降資料求滲透系數(shù)

若觀測(cè)孔中的值s在s～lgr關(guān)系曲線上連成直線，可采用下列公式：（1）承壓水完整孔：（2）潛水完整孔：滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)的確定方法水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算概述給水度滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)（自學(xué)）水動(dòng)力彌散系數(shù)

降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α是指降水滲入量與降水總量的比值，α值的大小取決于地表土層的巖性和土層結(jié)構(gòu)、地形坡度、植被覆蓋以及降水量的大小和降水形式等，一般情況下，地表土層的巖性對(duì)α值的影響最顯著。降水入滲系數(shù)可分為次降水入滲補(bǔ)給系數(shù)、年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)、多年平均降水入滲補(bǔ)給系數(shù)，它隨著時(shí)間和空間的變化而變化。降水入滲系數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱系數(shù)，其值變化于0～1之間。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的概念

潛水蒸發(fā)是在熱力作用下水分從潛水面上升到土壤表面進(jìn)入大氣的過(guò)程。在淺水埋藏較淺的地區(qū)，潛水蒸發(fā)量很大，在地下水平衡中是主要支出項(xiàng)。

潛水蒸發(fā)量與蒸發(fā)強(qiáng)度、地下水埋深、土壤質(zhì)地和氣候條件等有密切關(guān)系。蒸發(fā)強(qiáng)度主要決定于水分蒸發(fā)能力，潛水埋藏深度決定水分輸送到地面的距離，土壤質(zhì)地決定毛細(xì)管上升高度，即水分輸送的高度。當(dāng)?shù)叵滤宦癫厣疃冗_(dá)到一定深度時(shí)，潛水蒸發(fā)量將減少到很小或接近于零。該深度稱為潛水的極限蒸發(fā)深度。

潛水蒸發(fā)強(qiáng)度的概念1．地中滲透儀（或蒸滲儀lysimeter）測(cè)定法

這是較老但又是唯一可直接測(cè)到降水入滲補(bǔ)給量和潛水蒸發(fā)量的方法。整個(gè)裝置由左方的地中滲透計(jì)、右方的給水觀測(cè)裝置構(gòu)成。地中滲透計(jì)的圓筒內(nèi)裝有均衡地段的標(biāo)準(zhǔn)土柱，土柱下方為砂礫和濾網(wǎng)組成的外濾層。給水觀測(cè)部分由供水（盛水）用的有刻度的馬利奧特瓶和控制地中滲透計(jì)筒內(nèi)水位高度的盛水漏斗及量簡(jiǎn)組成。兩部分以導(dǎo)水管連結(jié)，將兩端構(gòu)成統(tǒng)一的連通管。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法其工作原理如下：首先調(diào)整盛水漏斗的高度，使漏斗中的水面與滲透計(jì)中的設(shè)計(jì)地下水面（相當(dāng)潛水埋深）保持在同一高度上。當(dāng)滲透計(jì)中的土柱接受降水入滲和凝結(jié)水補(bǔ)給時(shí)，其補(bǔ)給水量將會(huì)通過(guò)連通管和水管流入量筒內(nèi)，可直接讀出補(bǔ)給水量；當(dāng)土柱內(nèi)的水面產(chǎn)生蒸發(fā)時(shí)，便可由漏斗供給水量，再?gòu)鸟R利奧特瓶讀出供水水量（此即潛水蒸發(fā)消耗量）。在測(cè)定凝結(jié)補(bǔ)給量時(shí)，應(yīng)在該滲透計(jì)上方加棚，以隔離降水。此法裝置可用多個(gè)不同巖性和不同水位埋深的土柱，分別觀測(cè)其降水補(bǔ)給和蒸發(fā)值。本方法缺陷是，很難如實(shí)模擬天然的入滲補(bǔ)給條件，故其結(jié)果的可靠性有時(shí)值得商榷。思考：地中滲透儀測(cè)得降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的結(jié)果是偏大還是偏??？降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法2．零通量面法

包氣帶土壤水分運(yùn)動(dòng)所遵循的基本規(guī)律是非飽和水流運(yùn)動(dòng)的達(dá)西定律（Darcy’slaw或Richardsequation）和質(zhì)量守恒原理（conservationofmass）。在實(shí)際應(yīng)用中，可以直接應(yīng)用達(dá)西定律和質(zhì)量守恒原理分析或解決水量均衡問(wèn)題。

田間土壤水分運(yùn)動(dòng)，可近似視為一維垂向的流動(dòng)。于是，連續(xù)方程可簡(jiǎn)化為：土壤含水率的分布θ（z，t）在田間可用中子測(cè)水儀（或其他方法）監(jiān)測(cè)。若測(cè)得某一斷面z*處的土壤水分運(yùn)動(dòng)通量q（z*）（單位時(shí)間，通過(guò)單位面積的量：cm3/cm2·s）或單位面積上的水量Q（z*）（通量已知的斷面），土壤中任一斷面z處的通量q（z）及單位面積上的水量Q（z）（通量未知的斷面）便可由上式計(jì)算出。確定某一斷面z*處的通量，主要應(yīng)用達(dá)西定律，其方法有零通量面法、表面通量法和定位通量法，統(tǒng)稱為土壤水分運(yùn)動(dòng)通量法。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法土壤水的重力勢(shì)ψg由垂直坐標(biāo)z決定，若用負(fù)壓計(jì)測(cè)得土壤剖面各點(diǎn)的基質(zhì)勢(shì)ψm，則可得到總水勢(shì)ψ＝ψm＋z的分布。土壤中任一點(diǎn)的土壤水分通量由達(dá)西定律給出。當(dāng)水勢(shì)梯度為零時(shí)，該處的通量，則稱該處的水平面為零通量面ZFP（zerofluxplane），位置記為z0。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法土壤剖面中出現(xiàn)零通量面時(shí)，可根據(jù)水勢(shì)的分布特點(diǎn)，區(qū)分為以下幾種類型：a．單一聚合型零通量面。若在降雨（或灌溉）前，土壤長(zhǎng)期處于蒸發(fā)狀態(tài)，上層土壤的水分只由潛水補(bǔ)給，水分自下而上在土壤中運(yùn)移，水勢(shì)ψ自潛水面向上是逐漸減小的。在連續(xù)降雨過(guò)程中，由于水分不斷入滲，上部土壤的水勢(shì)ψ將隨之增加。如果水分的入滲尚未對(duì)下部的土壤產(chǎn)生明顯的影響。在此情況下，土壤中某處水勢(shì)ψ出現(xiàn)最小值。該處，即為零通量面ZFP，也可視其為入滲前鋒面。由于這種情況下土壤水分由上下兩側(cè)向零通量面處遷移，故稱為聚合型。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法b．單一發(fā)散型零通量面。當(dāng)降雨停止且入滲鋒面已下移到潛水面以后，上部土壤開(kāi)始蒸發(fā)，水分自下向上遷移。與此同時(shí)，下部土壤水分繼續(xù)處于向下入慘狀態(tài)。在此情況下，土壤中某處水勢(shì)達(dá)最大值，該處，即為零通量面ZFP。由于這種情況下土壤水分自零通量面處分別向上、向下運(yùn)動(dòng)，故稱為發(fā)散型。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法c．具有多個(gè)零通量面。發(fā)生在間隔降雨、入滲和蒸發(fā)交替出現(xiàn)的情況下，具有多個(gè)零通量面。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法零通量面的位置不變時(shí)：

i．地表處蒸發(fā)量：ii.潛水蒸發(fā)量

當(dāng)零通量面存在時(shí)，該斷面即為通量已知的斷面z*。若由t1至t2這一時(shí)段內(nèi)（Δt），零通量面的位置不變，測(cè)得t1和t2時(shí)刻的土壤含水率θ（z，t1）和θ（z，t2）?？捎?jì)算出Δt時(shí)段內(nèi)任一斷面處單位面積上所流過(guò)的土壤水的水量Q（z）。如果只是為了監(jiān)測(cè)潛水的入滲補(bǔ)給量或蒸發(fā)消耗量，則可將定位點(diǎn)選在鄰近潛水面處。由于潛水面以上一定范圍內(nèi)含水率變化很小，故定位點(diǎn)處測(cè)得的通量便可近似為潛水面處的通量。因此，可不必進(jìn)行土壤剖面含水率的測(cè)定，此方法變得更為簡(jiǎn)單。通量法的優(yōu)點(diǎn)：由于該方法僅以鉆孔中子水分儀測(cè)定的土壤含水率為依據(jù)，故與地中滲透儀法相比，成本較低，可在多處設(shè)點(diǎn)觀測(cè)。所測(cè)值的精度比經(jīng)驗(yàn)公式和動(dòng)態(tài)觀測(cè)法要高。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法3．近似計(jì)算法（入滲系數(shù)法）近似計(jì)算降水入滲補(bǔ)給量的方法很多，大多數(shù)的近似計(jì)算法是首先計(jì)算出某些時(shí)段和典型地段的降水入滲系數(shù)，再推廣到計(jì)算出全年或全區(qū)的降水入滲補(bǔ)給量（或蒸發(fā)量）。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法①根據(jù)次降水量引起的潛水水位動(dòng)態(tài)變化Δh計(jì)算大氣降水入滲系數(shù)α。對(duì)于地下徑流滯緩、水位埋藏不深的平原區(qū)，降水入滲和蒸發(fā)消耗將是引起潛水面上升或下降的最主要影響因素。因此，可以根據(jù)次降水量（Pi）引起的潛水位上升幅度（Δh）和水位變動(dòng)帶的給水度（μ），近似計(jì)算出大氣降水的入滲系數(shù)（α）：根據(jù)不同降水強(qiáng)度的次降水量算得的降水入滲系數(shù)，取其平均值（或加權(quán)平均值），再乘以全年的降水量（或有效降水量，即有入滲補(bǔ)給意義的次降水量之和），即得到全年的大氣降水入滲補(bǔ)給總量。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法②根據(jù)全排型泉水流量計(jì)算大氣降水入滲補(bǔ)給量在某些丘陵山區(qū)（特別是干旱半干旱的巖溶區(qū)），當(dāng)降水是地下水的唯一補(bǔ)給源，泉水是唯一的排泄方式時(shí)（地下水的蒸發(fā)量、儲(chǔ)存量變化量可忽略不計(jì)），泉水的年流量總和近似等于降水的年入滲補(bǔ)給量。因此，取其泉水年總流量與該泉域內(nèi)大氣降水總量的比值，即為該泉域的大氣降水入滲系數(shù)值（α）。如再將該泉域的α值用到地質(zhì)一水文地質(zhì)條件類似的更大區(qū)域，即可得到大區(qū)域的降水入滲補(bǔ)給量。同理，對(duì)于某些封閉型的水文地質(zhì)單元，當(dāng)降水是地下水唯一補(bǔ)給源，而地下水的開(kāi)采量（最大降深的穩(wěn)定開(kāi)采量）又已達(dá)到極限（其他地下水消耗量可忽略）時(shí)，其年開(kāi)采總量（近似等于地下水補(bǔ)給量）除以該水文地質(zhì)單元的年總降水量，亦可得出該水文地質(zhì)單元的大氣降水入滲系數(shù)（α）。也可推廣到條件類似的更大區(qū)域，進(jìn)行降水入滲總量的計(jì)算。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)強(qiáng)度確定的確定方法4．潛水蒸發(fā)量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式法目前，國(guó)內(nèi)外計(jì)算潛水蒸